本文以AZ31镁合金为研究对象，基于“标记插入技术”进行了搅拌摩擦焊三维流场的试验研究，系统地研究了搅拌摩擦焊塑性材料的流动特征，并结合Fluent模拟软件进行了有限元分析验证。首先，搅拌摩擦焊的流场呈现三维不对称性：(1)从水平方向上看塑性材料的流动，不同阶段，不同深度，不同位置塑性材料的流动状况都有所不同。1)垂直于焊接方向，前进侧与后退侧的材料的流动不一致：前进侧材料流动复杂，既发生材料的拖拽前移，又发生材料的挤压向后流动，而后退侧的材料则发生单一方向的向后流动。2)随着深度的增加，水平方向上发生塑性材料流动的范围减小。前进侧向前流动的塑性材料减少而向后流动的塑化金属增多。3)平行于焊缝方向，从起始端到中间段到结束端，发生流动的塑性材料的范围越来越大。(2)从厚度方向上看塑性材料的流动，各区域的状况也不同。1)在焊缝上部塑化金属受轴肩的影响向焊缝中心迁移，同时部分金属发生向下流动。2)在焊缝中部材料主要发生向下流动，同时材料受搅拌针周期性挤压作用的影响最终形成洋葱状花纹组织。3)在焊缝底部，向下迁移的塑性材料受到底部未塑化金属及垫板的阻碍作用，被挤压着向上部温度较高的塑化区流动。其次，对焊接接头的微观组织进行观察分析发现，因受塑性材料的流动特征的影响焊接接头组织也具有三维不对称性。1)垂直于焊接方向，可将焊接接头按组织特征横向分为：焊核区、热机影响区、热影响区及母材。2)沿焊接方向，焊核区晶粒尺寸逐渐增大，热机影响区晶粒弯曲拉长变形增加，热影响区组织晶粒逐渐增大。3)沿厚度方向，横截面上在焊缝中心自上而下分为冠状区、焊核区及搅拌针挤压区。冠状区组织晶粒细化程度最高，组织最均匀，焊核区形成均匀细小的等轴晶，搅拌针挤压区组织则是等轴晶与粗大晶粒的混合。最后，对搅拌摩擦焊的三维流场进行有限元分析。以流体力学为基础，建立了搅拌摩擦焊焊接稳态时的三维模型，将塑性材料看作非牛顿、不可压缩流体进行模拟，模拟结果与实验结果基本吻合。